相變傳熱熱管表面防結垢涂層配料方法研究

孫玉領　于明濤　郭勇　許永平

摘 要：將相變傳熱管應用于鍋爐省煤器中，能有效地實現節能降耗。但是，相變傳熱熱管表面在使用過程中易產生結垢等層狀堆積，且會迅速長大，最終堵塞熱管的傳熱，導致熱管發生爆管。為此，本文試圖研究出一種涂層材料，噴涂到熱管表面，從而解決或有效減緩結垢問題。

關鍵詞：相變傳熱熱管;涂層配料方法;防結垢

Abstract： The application of phase change heat transfer tube in boiler economizer can effectively save energy and reduce consumption. However， the surface of phase change heat transfer heat pipe is prone to layered accumulation such as scaling in the process of use， and will grow rapidly， eventually blocking the heat transfer of heat pipe， resulting in tube explosion. Therefore， this paper tried to develop a kind of coating material， which could be sprayed on the surface of heat pipe to solve or effectively slow down the scaling problem.

Keywords： phase change heat transfer heat pipe;coating compounding method;anti-fouling

相變傳熱熱管是一種具有特高導熱性能的新型傳熱元件，其導熱能力超過任何已知金屬。由于其具有高效傳熱性能，可大大提高傳熱效率，加之加工制造成本低廉，越來越受到供熱等企業的高度重視，并逐漸得到推廣使用。若能將相變傳熱熱管廣泛應用于鍋爐行業，如鍋爐的省煤器中，將會對我國節能降耗產生巨大的推動作用。

但是，相變傳熱熱管表面在使用過程中易產生結垢等層狀堆積，并且會迅速長大，最終會堵塞熱管的傳熱，導致熱管發生爆管事故。為此，本文試圖研究出一種涂層材料，噴涂到熱管表面，從而解決或有效減緩結垢問題。試驗中，選擇中溫（250～450℃）和高溫（450～1 000℃）的“碳鋼-水”熱管開展相變傳熱管表面涂層的配料方法研究。

1 熱管表面增加涂（鍍）層研究的現狀

國內外學者對在熱管表面增加涂（鍍）層也開展了大量研究工作。

程延海、鄒勇等[1]人在防垢涂層對熱交換器表面性能的影響研究中，通過調整工藝用化學鍍的方法制備了具有不同結構形態的防垢涂層。進一步的界面張力分析表明，這些鍍層均不潤濕水，具有較低的表面自由能，且不同結構形態的涂層表面自由能與涂層結構形態之間沒有線性的對應關系。

為解決燃用高硫煤的超臨界、超超臨界機組鍋爐受熱面發生的高溫硫腐蝕與沖蝕磨損，李太江等[3]采用超音速火焰噴涂技術，噴涂自主開發的NiCr金屬陶瓷涂層，研究該涂層的抗高溫硫腐蝕性能以及沖蝕磨損性能，并通過現場掛片試驗，考察涂層經過8 000h服役后的剝落情況。

20世紀60年代，美國TAFA公司把牌號為45CT的材料作為鍋爐管道高溫含硫氣氛中的耐蝕耐磨防護涂層。英國在20世紀60年代開始進行熱噴涂涂層防治鍋爐管道的沖蝕和受熱面腐蝕的小規模工業試驗，采用等離子噴涂75Cr3C2/25NiCr和Al2O2作為抗飛灰沖蝕涂層，等離子噴涂50Cr/50Ni作為受熱面耐腐蝕防護涂層。

在前文所述的研究中，涂層的成分、應用的領域、效果以及制備工藝等都有所不同。總的來說，上述研究中的涂層體系都未能較好地滿足下列性能要求。①優良的抗高溫防結垢、防積灰性能。要求涂層既具有較高的高溫氧化環境下抗飛灰沖蝕磨損性能，又有防結垢和防積灰性能。②優良的耐熱腐蝕性能。要求涂層具有較高的高溫氧化、硫化氣氛中的熱腐蝕抗力。③優良的熱導率性能，要求涂層材料既有高吸收率，又有高的發射率，這樣才不會影響熱量導出。④優良的抗熱疲勞性能。由于鍋爐在運行期間都有一定次數的停機，因此抗熱疲勞性能是決定系統可靠性的主要因素之一。⑤具有與金屬表面大致相同的熱膨脹系數，保持涂層與金屬表面的穩定結合。

2 涂料配比方法設計

以氧化鋁微粉、堇青石粉體、黏土粉短纖維、礬土粉等為主要原料，以硅溶膠為結合劑，制備使用溫度小于等于450℃的防結垢、防積灰、防腐蝕、抗沖刷的涂料。

以氧化鋯、氧化鋁為主要原料，以硅溶膠和樹脂為結合劑，制備使用溫度達450～1 000℃的耐高溫防結垢、防積灰、防腐蝕的涂料、抗沖刷涂料。

制備該水性涂料的過程為：首先，將膨潤土、粉體、黏土等幾種無機粉料初步混合均勻后加入JJ-1電動攪拌儀中，然后加入去離子水、分散劑充分攪拌得到陶瓷漿料;向陶瓷漿料中滴入消泡劑，繼續攪拌，加入結合劑、硅熔膠和苯丙乳液成膜物質，攪拌得到陶瓷漿料;向陶瓷漿料加入CMC，慢速攪拌，制得涂料。

3 試驗測試設備及方法

3.1 試驗設備

試驗中用到的設備如表1所示。

3.2 測試方法

3.2.1 涂層強度的測試方法。涂層強度的測試方法為“指擦法”。“指擦法”把涂層強度劃分為四個等級。Ⅰ級：手指用力摩擦涂層完全不起粉，手指甲用力劃也不起粉;Ⅱ級：手指用力摩擦涂層稍微起粉，手指甲用力劃略微起粉;Ⅲ級：手指用力摩擦涂層明顯起粉;Ⅳ級：手指用力摩擦涂層嚴重掉粉。

3.2.2 分散穩定性的測試方法。采用“沉降法”來測試漿料的分散穩定性。把漿料倒入100mL的帶塞量筒中，使其高度達到100mL。靜置3h，測定量筒上部澄清液的體積為v（mL），漿料分散穩定性[α]的計算公式為：

3.2.3 涂料抗熱震性能測試。涂料的抗熱震性能采用KRZ-430抗熱震性實驗機來測量。涂料攪拌分散均勻后涂刷在金屬板上，經過烘干并在高溫下進行熱震風冷試驗，記錄風冷后次數和帶涂層金屬制品的表觀形貌。

4 涂料配比測試數據分析

4.1 成膜物質

試驗中配制了硅溶膠用量分別為粉料質量的10wt%、15wt%、20wt%、25wt%的涂料，刷涂在熱管表面形成涂層，干燥后經900℃×1h熱處理，隨爐冷卻。以指擦法測試涂層熱處理后的強度。結果如表2所示。

硅溶膠是主要成膜物質，其用量直接影響涂層的強度。硅溶膠用量低時，涂層強度低;硅溶膠用量高時，涂層強度也低。

硅溶膠單獨作為成膜物質，涂膜固化時膠粒間通過羥基脫水縮合形成剛性的微孔骨架結構，但二氧化硅粒子間脫水時體積收縮過大，形成的涂膜成剛性，易產生裂紋。

為了解決硅溶膠固體含量低、干燥收縮大而引起的涂膜開裂問題，比較好的方法是在涂料配方中復合一定數量的合成樹脂乳液。苯丙乳液是由苯乙烯、丙烯酸酯類等單體共聚的乳液。硅溶膠-苯丙乳液復合涂膜的結構非常致密堅硬，其硬度可達4H以上，可以提高涂料的硬度、抗水和耐摩擦性[4]。崔錦峰等[5]的研究發現，pH值是影響硅溶膠-苯丙乳液成膜性能的最主要因素。當硅溶膠和苯丙乳液的pH值相差較大時，復合乳液穩定性變差。王國建等[6]研究了pH值對硅溶膠和苯丙乳液復配穩定性的影響，當苯丙乳液和硅溶膠的pH相差較大時，兩者的穩定性降低。配制涂料應選擇pH值接近的苯丙乳液和硅溶膠。試驗中所用的苯丙乳液pH=8，與硅溶膠（pH=9）具有良好的相容穩定性。

硅溶膠-苯丙乳液的合適配比，配制了苯丙乳液用量為粉料量3wt%、5wt%、7wt%、10wt%的涂料配方，硅溶膠用量為20wt%，每個配方制備10個涂層，干燥后觀察涂膜開裂情況，結果如表3所示。從表3可知，隨著苯丙乳液用量的增加，涂膜開裂的情況逐漸減少。

4.2 助劑分析

4.2.1 分散劑。料漿中加入分散劑后，分散劑在料漿中通過與粉體顆粒表面發生作用（靜電斥力作用、空間位阻作用和靜電位阻作用）而阻止粉體相互團聚，使料漿的黏度大幅度下降。但是，當分散劑的用量超過一定值后，分散劑在粉體表面的吸附達到飽和，料漿中未被吸附的分散劑分子增多，分子鏈間的相互纏繞使料漿的黏度增大。因此，對于任意一種分散劑，對特定的粉體都有一個最佳的用量。

料漿的分散穩定性越好，料漿越不容易沉降分層。試驗中，常常采用觀察料漿沉降情況的方法來比較料漿的分散穩定性。以三聚磷酸鈉為分散劑，其用量為0.2wt%時，料漿的分散穩定性最好;以巴斯夫FS10為分散劑，其用量為0.1wt%～0.2wt%時，料漿的分散穩定性最好;以聚丙烯酸銨為分散劑，其用量為0.2wt%～0.3wt%時，料漿的分散穩定性最好。而三聚磷酸鈉、巴斯夫FS10和聚丙烯酸銨三種分散劑的最佳分散穩定性情況分別為85%、93%、98%，因此，聚丙烯酸銨的分散效果要好于三聚磷酸鈉和巴斯夫FS10。

4.2.2 增稠劑。為了防止涂料在貯存過程中已分散的顆粒沉淀、板結，防止涂料在涂裝時的流掛現象，涂料中需要加入增稠劑。本文主要分析聚丙烯酸鈉（PAAS）對涂料流變性能的影響。

PAAS用量分別為0wt%、0.1wt%、0.2wt%和0.3wt%。PAAS以1wt%的溶液方式添加，即若添加0.1gPAAS，需要添加PAAS水溶液10g。充分攪拌后，在brookfield R/S–CC流變儀上測定不同剪切速率下料漿的黏度值。測定過程如下：剪切速率D從0r/s到300r/s，共用時300s，共測定了60個數據點。隨著PAAS用量的增加，涂料在低剪切速率下的黏度先增加后降低。當PAAS的用量為0wt%和0.1wt%時，涂料近似于牛頓流體，涂料的黏度值隨剪切速率變化很小。當PAAS的用量為0.2wt%和0.3wt%時，涂料剪切變稀的特性變得十分明顯，具有觸變性，涂料為假塑性流體。當PAAS的用量為0.2wt%時，PAAS對涂料的增稠效果最好。

5 結論

本文以堇青石、氧化鋁、氧化鋯耐火粉料，硅溶膠和苯丙乳液為復合成膜物質，聚丙烯酸銨為分散劑，鈉基膨潤土、CMC和凹凸棒黏土為復合增稠劑，制備了一種熱管表面所用的水性涂料，并進行測試，證明采用的涂料配比方法配制的涂料具有較好的性能，能較好地緩解結垢和積灰問題，有效提高抗磨損和抗腐蝕的能力，同時又具有高發射率和高吸收率，而且形成了非常穩固致密的陶瓷涂層。

①使用硅溶膠-苯丙乳液作為成膜物質，當硅溶膠的用量為20wt%、苯丙乳液的用量為10wt%時，徹底解決了涂膜在干燥過程中的開裂問題。

②三種分散劑中，三聚磷酸鈉較好的用量為0.2wt%，巴斯夫FS10較好的用量為0.1wt%，聚丙烯酸銨較好的用量為0.2wt%。聚丙烯酸銨的分散效果要好于三聚磷酸鈉和巴斯夫FS10。

③使用PAAS為增稠劑時，其用量為0.2wt%時，對涂料的增稠效果最好。

④1 000℃堇青石體系涂層能與金屬制品表層形成穩定的結合，能承受溫度急劇波動并保持結構的穩定性，保證了涂層的安全可靠性。

⑤表面的電位阻礙了顆粒間的相互靠近，從而起到電場排斥積灰和水垢的作用。

參考文獻：

[1]程延海，鄒勇，程林.防垢涂層對熱交換器表面性能的影響[J].化學工程，2009（2）：51-53.

[2]王瑞英.防垢耐蝕耐磨涂層的制備與性能研究[D].北京：中國石油大學，2010.

[3]李太江，李巍，李勇.超音速火焰噴涂制備NiCr金屬陶瓷涂層的抗高溫硫腐蝕與沖蝕磨損性能[J].中國電機工程學報，2012（20）：120-125.

[4]徐克.親水性無定型TiO2/SiO2薄膜及其強化傳熱性能研究[J].化學工業與工程，2012（4）：58-62.

[5]崔錦峰，楊保平，馬永強，等.硅溶膠—苯丙乳液復合路標涂料的研制[J].中國涂料，2006（12）：31-34.

[6]王國建，王鳳芳.硅溶膠-苯丙乳液復合涂料的穩定性研究[J].綠色建筑，1992（1）：9-13.